專(zhuān)利名稱(chēng)：基于fpga的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，特別是一種基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)蘊(yùn)涵有與柴油機(jī)燃燒和機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的豐富信息，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)反映了柴油機(jī)工作循環(huán)內(nèi)各缸做功的均勻性。由于非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器具有安裝簡(jiǎn)單、使用方便、性能可靠和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的故障診斷技術(shù)，是近年來(lái)發(fā)展趨于成熟、最具實(shí)用價(jià)值的柴油機(jī)故障診斷技術(shù)之一?，F(xiàn)有的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由高速采集設(shè)備和計(jì)算機(jī)共同完成或由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成。高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備使得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高、體積大；單片機(jī)系統(tǒng)外部擴(kuò)展多，數(shù)據(jù)處理能力較小，難以滿(mǎn)足高速采集和處理要求，且升級(jí)不便。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種采集精度高、體積小、成本低且升級(jí)方便的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，所述傳感器安裝在柴油機(jī)的自由端，分別用來(lái)測(cè)量上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，該傳感器的輸出端通過(guò)電纜與FPGA系統(tǒng)相連；所述FPGA系統(tǒng)，安裝在柴油機(jī)機(jī)旁，由信號(hào)調(diào)理模塊、FPGA芯片、IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成，該FPGA系統(tǒng)的輸出端與計(jì)算機(jī)相連；所述計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)。所述傳感器可以采用型號(hào)為SZMB-18-5型的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。所述FPGA系統(tǒng)可以采用型號(hào)為EP2C8Q208C8N的芯片。所述EP2C8Q208C8N的芯片可以通過(guò)其IO引腳與外圍擴(kuò)展部件相連，外圍擴(kuò)展部件包括IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊，其中:IXD顯示模塊采用型號(hào)為NS320240B的液晶；SDRAM模塊采用型號(hào)為HY57V641620ETP-7的芯片；CAN通信模塊中CAN控制器采用型號(hào)為MCP2515的芯片、CAN收發(fā)器采用型號(hào)為T(mén)JA1050的芯片。所述信號(hào)調(diào)理模塊可以由限幅電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成，其中:所述限幅電路，其輸入端與傳感器輸出端相連；所述電壓跟隨器，其輸入端與限幅電路的輸出端相連；所述電壓比較器，其輸入端與電壓跟隨器的輸出端相連，其輸出端與FPGA系統(tǒng)的IO引腳直接相連。電壓跟隨器可以采用型號(hào)為0P27GS的運(yùn)算放大器。本實(shí)用新型可以采用型號(hào)為L(zhǎng)M311的電壓比較器。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下的優(yōu)點(diǎn):[0014]1.信號(hào)調(diào)理模塊能將各種傳感器輸出信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的LVTTL信號(hào)，從而擴(kuò)大了系統(tǒng)的適用范圍。2.主處理器采用FPGA芯片，其內(nèi)部有8256個(gè)邏輯單元，通過(guò)調(diào)理后的上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)的上升沿中斷觸發(fā)FPGA對(duì)高頻時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，處理速度和實(shí)時(shí)性好。外部擴(kuò)展有8M bit的SDRAM，能滿(mǎn)足大容量數(shù)據(jù)采集緩存要求。3.在FPGA芯片上完成瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的去畸變點(diǎn)濾波、齒平均和周期平均處理，并在液晶上顯示出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形。4.FPGA系統(tǒng)可方便的置于機(jī)旁，滿(mǎn)足實(shí)船條件下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)要求。

圖1是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程圖。圖3是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖。圖4是基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖。圖5為本實(shí)用新型采集的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型涉提供的基于FPGA的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。所述傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，安裝在柴油機(jī)的自由端，分別用來(lái)測(cè)量上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)；它的輸出端通過(guò)電纜與FPGA系統(tǒng)相連。所述FPGA系統(tǒng)，安裝在柴油機(jī)機(jī)旁，由信號(hào)調(diào)理模塊、FPGA芯片、IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成；它的輸出端與計(jì)算機(jī)相連。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)經(jīng)FPGA系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)調(diào)理模塊，調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)LVTTL信號(hào)，并與FPGA芯片進(jìn)行接口，F(xiàn)PGA芯片通過(guò)對(duì)高頻晶振脈沖計(jì)數(shù)完成柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的采集，將采集到的原始計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)和計(jì)算出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)暫存至系統(tǒng)擴(kuò)展的SDRAM中，并在LCD液晶上顯示出處理后的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形，同時(shí)通過(guò)CAN通信將處理后瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至上位計(jì)算機(jī)。所述信號(hào)調(diào)理模塊由信號(hào)調(diào)理模塊由限幅電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成，其中:所述限幅電路，采用采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)二極管IN4148組成，其輸入端與傳感器輸出端相連；所述電壓跟隨器，由型號(hào)為0P27GS的運(yùn)算放大器組成，其輸入端與限幅電路的輸出端相連，輸出端與電壓比較器相連；所述電壓比較器，采用型號(hào)為L(zhǎng)M311的芯片，將磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的類(lèi)正弦信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)LVTTL信號(hào)，其輸入端與電壓跟隨器的輸出端相連，其輸出端與FPGA的IO引腳直接相連。FPGA系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示，主要由四個(gè)模塊組成，分別為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、IXD320240液晶顯示模塊和CAN通信傳輸數(shù)據(jù)模塊等。FPGA芯片采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)處理后控制LCD320240液晶顯示屏顯示出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形，同時(shí)通過(guò)CAN通信方式將處理后的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)中，進(jìn)行深入分析診斷。FPGA系統(tǒng)以調(diào)理后的上止點(diǎn)信號(hào)上升沿為開(kāi)始信號(hào)，以調(diào)理后的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)上升沿觸發(fā)FPGA對(duì)IOOM高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)上升沿為止，依次計(jì)算出相鄰兩個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)脈寬的時(shí)間計(jì)數(shù)值，從而計(jì)算出柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。軟件開(kāi)發(fā)采用SOPC技術(shù)來(lái)進(jìn)行，其中對(duì)100M高頻時(shí)鐘脈沖的精確計(jì)數(shù)采用定時(shí)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)Timestamp來(lái)實(shí)現(xiàn)。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速采集計(jì)算流程如圖3所示。首先等待上止點(diǎn)信號(hào)中斷，在上止點(diǎn)信號(hào)中斷中啟動(dòng)Timestamp并屏蔽上止點(diǎn)中斷，之后等待曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)中斷，每進(jìn)入一次曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)中斷則獲取一次Timestamp值，若采集完10個(gè)柴油機(jī)周期瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)則結(jié)束采集，并屏蔽曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)中斷，F(xiàn)PGA根據(jù)計(jì)數(shù)值之差計(jì)算出柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行相關(guān)處理。為了避免計(jì)數(shù)累積誤差，采用不清零連續(xù)計(jì)數(shù)模式，所記錄的相繼兩個(gè)Timestamp計(jì)數(shù)值的差值即為細(xì)曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)值。所述上位計(jì)算機(jī)，采用Lab VIEW軟件編寫(xiě)程序接收CAN傳輸過(guò)來(lái)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和進(jìn)一步的處理診斷。其工作過(guò)程如圖4所示，首先接收FPGA系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，進(jìn)行瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率計(jì)算分析，儲(chǔ)存原始瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及計(jì)算出的參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行故障診斷，若有故障則報(bào)警并給出建議，若無(wú)故障，則進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)分析。圖5為本實(shí)用新型采集的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖，測(cè)試對(duì)象為MAN 6L1624型柴油機(jī)，工況為轉(zhuǎn)速1000r/min下的75%負(fù)荷。本實(shí)用新型提供的船舶柴油機(jī)示功圖便攜式測(cè)試控制器，其用于船舶柴油機(jī)性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)采用包括以下步驟的方法:(I)安裝傳感器，連接電纜，通電后FPGA系統(tǒng)進(jìn)行自檢；(2)自檢通過(guò)后，在FPGA系統(tǒng)中確定柴油機(jī)的參數(shù)設(shè)置，如沖程數(shù)、曲軸轉(zhuǎn)角的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)等；(3)FPGA系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)判斷，若超時(shí)IOS沒(méi)有上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)觸發(fā)，則認(rèn)為柴油機(jī)停機(jī)，液晶顯示柴油機(jī)的狀態(tài)并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)觸發(fā)；(4)若柴油機(jī)正常運(yùn)行，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)觸發(fā)中斷采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)去畸變點(diǎn)濾波、齒平均和周期平均處理后通過(guò)液晶顯示模塊顯示出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形，同時(shí)通過(guò)CAN接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位計(jì)算機(jī)，傳輸完畢后，進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)米集；(5)上位計(jì)算機(jī)接收FPGA系統(tǒng)傳輸過(guò)來(lái)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障診斷判斷，完畢后準(zhǔn)備接收下一幀瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，結(jié)果輸出可以打印，也可以保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
權(quán)利要求1.一種船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是一種基于FPGA系統(tǒng)的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，其中:所述傳感器安裝在柴油機(jī)的自由端，分別用來(lái)測(cè)量上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，該傳感器的輸出端通過(guò)電纜與FPGA系統(tǒng)相連；所述FPGA系統(tǒng)，安裝在柴油機(jī)機(jī)旁，由信號(hào)調(diào)理模塊、FPGA芯片、IXD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成，該FPGA系統(tǒng)的輸出端與計(jì)算機(jī)相連；所述計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是所述傳感器采用型號(hào)為SZMB-18-5型的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是所述FPGA系統(tǒng)采用型號(hào)為EP2C8Q208C8N的芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是所述芯片通過(guò)其IO引腳與外圍擴(kuò)展部件相連，外圍擴(kuò)展部件包括LCD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊，其中:IXD顯示模塊采用型號(hào)為NS320240B的液晶；SDRAM模塊采用型號(hào)為HY57V641620ETP-7的芯片；CAN通信模塊中CAN控制器采用型號(hào)為MCP2515的芯片、CAN收發(fā)器采用型號(hào)為T(mén)JA1050的芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是所述信號(hào)調(diào)理模塊由限幅電路、電壓跟隨器和電壓比較器組成，其中:所述限幅電路，其輸入端與傳感器輸出端相連；所述電壓跟隨器，其輸入端與限幅電路的輸出端相連；所述電壓比較器，其輸入端與電壓跟隨器的輸出端相連，其輸出端與FPGA系統(tǒng)的IO引腳直接相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是采用型號(hào)為0P27GS的運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是采用型號(hào)為L(zhǎng)M311的電壓比較器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型是一種基于FPGA系統(tǒng)的船舶柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置由傳感器、FPGA系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成，其中所述傳感器安裝在柴油機(jī)的自由端，分別用來(lái)測(cè)量上止點(diǎn)信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，該傳感器的輸出端通過(guò)電纜與FPGA系統(tǒng)相連；所述FPGA系統(tǒng)，安裝在柴油機(jī)機(jī)旁，由信號(hào)調(diào)理模塊、FPGA芯片、LCD顯示模塊、擴(kuò)展SDRAM模塊和CAN通信模塊組成，該FPGA系統(tǒng)的輸出端與計(jì)算機(jī)相連；所述計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低且升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P3/44GK203069611SQ20122069789
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者楊建國(guó), 胡鬧, 余永華 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)